（控制科学与工程专业论文）管道阴极保护电位无线采集系统研制.pdf

f 龇 学位论文数据集 f 、y 18 中图分类号 t p 2 7 4 + 4 学科分类号 5 1 0 8 0 4 0 论文编号 1 0 0 1 0 2 0 1 1 1 3 0 3 密级公开 学位授予单位代码 l o o l 0 学位授予单位名称北京化工大学 作者姓名唐大全学号 2 0 0 7 0 0 1 3 0 3 获学位专业名称控制科学与工程获学位专业代码 0 8 1 1 课题来源自选项目研究方向检测技术与自动化装置 论文题目管道阴极保护电位无线采集系统研制 关键词 埋地管道，防腐，阴极保护电位，无线数据采集系统，m s p 4 3 0 ，c c l l 0 1 论文答辩日期 2 0 1 1 0 5 3 1 论文类型 应用研究 学位论文评阅及答辩委员会情况 姓名职称工作单位学科专长 指导教师 林伟国 教授 北京化工大学 检测技术及自动化装置 评阅人1曹政才副教授北京化工大学智能控制 评阅人2夏涛副教授北京化工大学过程系统安全工程 评阅人3 评阅人4 评阅人5 椭员蝴 王建林教授北京化工大学智能检测技术 答辩委员1曹柳林教授北京化工大学流程工业的建模与控制 答辩委员2李宏光教授北京化工大学过程性能监督与优化 答辩委员3黄克谨教授北京化工大学复杂工业过程控制 答辩委员4陈娟教授北京化工大学控制理论及先进控制 答辩委员5 压：一 四 论文类型：1 基础研究2 应用研究3 开发研究4 其它 中图分类号在中国图书资料分类法查询。 学科分类号在中华人民共和国国家标准( g b t1 3 7 4 5 9 ) 学科分类与代码中 查询 论文编号由单位代码和年份及学号的后四位组成。 0m 2 摘要 管道阴极保护电位无线采集系统研制 摘要 腐蚀是影响管道系统可靠性及使用寿命的关键因素，管道腐蚀所 带来的种种隐患制约着油气的输送。为控制埋地金属管道在土壤中的 电化学腐蚀，公认的做法是采用外防腐层和阴极保护的联合防护措施。 其中外防护层是主要防腐手段，阴极保护作为防护层防腐的补充手段， 为防护层缺陷处的管道外表面提供电化学保护。 目前国内长距离埋地管道防护层阴极保护电位检测多数仍为人工 逐点检测，不仅操作不便还容易造成误差。本课题设计了一套应用于 管道阴极保护工况下、基于m s p 4 3 0 单片机和c c l l 0 1 及a i 蝴的无线 采集系统的软硬件设计和构成，实现对阴极保护电位的无线采集及进 一步处理。论文介绍了无线数据采集系统的总体设计框架，对无线数 据采集系统中低功耗现场采集仪表及车载仪表硬件设计进行了详细说 明，并阐述了系统的相关低功耗软件设计。 实测表明，本系统对信号的测定工作兼具稳定及准确度高的特点， 并能够对测得阴极保护电位数据进一步处理分析，达到了预期要求。 关键词：埋地管道，防腐，阴极保护电位，无线数据采集系统，m s p 4 3 0 ， c c l l 0 1 j ! 室垡三查兰堡主堂垡堡奎 - _ 一 i i c o r r o s i o ni st h ek e yf a c t o ro f p i p e l i n es y s t e mr e l i a b i l i t ya n dl i f e t h e v 撕o u sr i s k so fp i p e l i n ec o n d s i o nh a v er e s t r i c t e dt h et r a n s p o r to fo i la 1 1 d g a s t h ej o i n t p r i o t e c t i o no fe x t e m a lp i 0 t e c t i v el a y e ra n dc a t h o d i c p r o t e c t i o nh a sb e c o m et h er e c o g n i z e dm e a s u r eo fc o n t r o l l i n gu n d e r g r o u n d m e t a lp i p e l i n ee l e c 加c h e i l l i c a lc o 啪s i o n e x t e m a lp r o t e c t i v e l a y e ro f n1 1 上j l p e m l el st h em a ma m l s 印s l sm e a s u r e s a sac o m p l e m e n t a r ym e a s u r eo f c o 玎i d s i o np r o t e c t i v el a y e r ，c a t h o d i cp r o t e c t i o n p r o v i d e se l e c t r o c h e m i c a l p r o t e c t i o nf o rt h eo u t e rs u m c eo fp i p e l i n e s a t p r e s e n t ， o fm o s td o m e s t i c u n d e r g r o u n dp i p e l i n e s ， c a t h o d i c p r o t e c t i o np o t e n t i a li ss t i l l u s i n g t h em 籼a ld e t e c t i o n n o t o n l y i n c o n v e n i e n tb u ta l s oe a s i l yt oc a u s e 黜r o p e r a t i o n t os o l v et h i sp r o b l e n l ， w i r e l e s sc o l l e c t i o ns y s t e mo fp i p e l i n ec a t h o d i cp r o t e c t i o np o t e n t i a lh a s b e e nd e s i g n e d ，w r h i c hi sb a s e do nm s p 4 3 0m c u ，c c 1 1o1i 江t 跏1 s c e i v e r a n d 删t h i sp 印e rd 印i c t st h eo v e r a l ld e s i g n 触m e w o r ko ft h ew i r e l e s s c o l l e c t i o ns y s t e m ，i n t r o d u c e st h eh a r d w a r ed e s i g no fl o w p o w e rf i e l d i i l 北京化工大学硕士学位论文 c o l l e c t i o ni n s t m m e n ta n dv e h i c l e i n s t m m e m ，a n dd e s c 打b e st h e s y s t e m 。r e l a t e ds o f t w a r ed e s i g no fl o wp o w e rc o n s u i n p t i o n t h ep r a c t i c a l t e s ts h o w s ，s y s t e ms i g n a ld e t e c t i o nh a sc h a r a c t e r i s t i c so fln ep i a c t l c a lt e s ts n o w s ，s v s t e ms l g n a ld e t e c t l o nh a sc h a r a c t e s t i c so f s t a b i l i t ya n da c c u r a c y ，如r t h e rp r o c e s s e sm e a s u r e dc a t h o d i cp r o t e c t i o n p o t e n t i a ld a t a ，a c h i e v e st h ee x p e c t e d d e s i g nr e q u i r e m e n t s k e yw o r d s ： u n d e r j ；i 0 u n dp i p e l i n e ，c o n ? o s i o np i o t e c t i o n ，c a m o d i c p r o t e c t i o n p o t e n t i a l ，w i r e l e s sd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m ， m s p 4 3 0 ，c c l l o l l v 目录 目录 第一章绪论1 1 1 课题研究的背景和意义1 1 2 文献综述3 1 2 1 埋地管道腐蚀的危害与维护3 1 2 2 埋地管道发展状况3 1 2 3 埋地油气管道腐蚀防护4 1 2 4 阴极保护技术概述8 1 - 3 短距离无线通信技术现状1 2 1 4 基于无线通信的数据采集系统现状1 3 1 5 本文研究内容及目标1 3 1 6 研究思路及意义1 4 第二章系统总体设计方案1 7 2 1 系统总体设计1 7 2 2 现场测试采集模块( 现场采集仪表) 设计1 8 2 3 无线数据接收模块( 车载仪表) 设计1 9 第三章系统硬件电路设计2 1 3 1 现场采集仪表电路设计2 1 3 1 1 前端信号调理电路模块( l m 3 5 8 ) 2 l 3 1 2m s p 4 3 0 f 2 0 1 2 模块2 3 3 1 3c c l l 0 1 2 6 3 1 4 现场采集仪表p c b 设计及制板2 8 3 2 数据接收模块( 车载仪表) 电路设计2 9 3 2 1m s p 4 3 0 f 1 4 9 主控制器2 9 3 2 2a r m 模块3 2 3 3 车载仪表设计3 3 v 北京化工大学硕士学位论文 第四章系统软件设计3 5 4 1 车载仪表程序设计3 5 4 2 现场采集模块( 现场采集仪表) 程序设计3 7 4 3 埋地管道信号采集3 9 4 3 1c c l l o l 的寄存器配置3 9 4 3 2s p i 模拟3 9 4 3 3m s p 4 3 0 管道阴极保护电位信号采集4 0 4 4 基于a r m 的嵌入式l i n u x 系统4 l 4 4 1b o o tl o a d e r 4 2 4 4 2 嵌入式l i n u x 系统的移植4 2 4 4 3 基于q t 的图形用户界面4 4 第五章系统功能测试4 7 5 1 数据采集准确度测试4 7 5 2 传输距离测试5 0 5 3 采集车运行速度测试5 2 5 4 采集模块低功耗测试及估算5 3 5 5 系统稳定性测试5 4 第六章总结与展望5 5 6 1 总结5 5 6 2 展望5 6 参考文献5 7 附录6 1 附录l 现场仪表程序6 1 附录2 车载仪表程序6 2 附录3c c l l 0 1 设置6 5 附录4 现场仪表前端信号调理模块与主控制器电路设计图6 8 附录5 现场仪表p c b 设计6 9 v i l 7 l 7 3 7 5 北京化工大学硕士学位论文 v i i i c o n 住m t s c o n t e n t s o f a 舱r e s e a r c h 1 3 f u n d e r 粤o u i l dp i p e l i n ec o r m s i o n 3 1 2 2u n d e r 鲫u n dp i p e l i n e sd e v e l o p m e n ts i t u a t i o n 3 1 2 3c o r t o s i o np i o t e c 时o no fu n d e r g “) u n dp i p e l i n e 4 1 2 4s u n u n a r i z a t i o no f c a t h o d i cp r d t e c t i o n 8 1 3s h o r t - 舢g ew i r e l e s st r m s m i s s i o nt e c b 【i l o l o g y sd e v e l o p m e ms i t u a t i o n 1 2 1 4w i r e l e s sc o l l e c t i o ns y s t c i i l sd e v e l o p m c l l ts i t u a t i o n 1 3 1 5r e s e a r c hc o n t e n t sa 1 1 do b j e c t i v e s 1 3 1 6r e s e a “hi d e a sa 1 1 ds i 趴i 丘c 孤c e 1 4 c h a p t e r2t h eo v e r a us y s t e md e s i g n 1 7 2 1o v c r a l ls 加c t u r ed e s i 辨o f t h es y s t 锄1 7 2 2f i e l dc 0 1 l e c t i o ni n s t n l i i l e i l td e s i 鳃 1 8 2 3v 出c l ei n s m l m 耐a t i o nd e s i 印1 9 c h a p t e r3h a r d w a r ed e s i g no f w i r e l e s sc o e c t i o ns y s t e m 21 3 1h a r d w a r ed e s i 擘阻o f f i e l dc 0 1 1 e c t i o ni i l s 仃u m e n t 3 1 1d e s i 印o f 舶n ts i 印a lc o n d i t i o i l i n gc i r c u i tm o d u l e ( l m 3 5 8 ) 3 1 2m s p 4 3 0 f 2 0 1 2m o d u l ed e s i g n 3 1 3c c l1 0 1m o d l l l ed e s i 鼬 3 1 4p c bd e s i l 皿o f f i e l dc o l l e c t i o nl n s 仃u m e l l t 3 2h a r d w a r ed e s i 2 皿o f v e h i c l ei n s t n m 】e n t 3 2 1m s p 4 3 0 f 1 4 9m o d u l ed e s i 印 3 2 2a r mm o d u l ed e s i 趴 3 3d e s i 趴o f v e h i d ei n s t n l m e n t 1 x l 1 3 6 8 9 9 2 3 2 2 2 2 2 2 2 3 3 北京化工大学硕士学位论文 c h a p t e r4s o f i t w a r ed e s i g no fw i r e l e s sc o e c t i o ns y s t e m 3 5 4 1p 1 o g r 锄d e s i g no f f i e l dc o l l e c t i o ni n s t i u i i l e n t 4 2p r o 伊锄d e s i 印o f v e l l i c l ei n s t l l 】i i l e n t 4 3u n d e r g r o u n dp i p e l i n es i g n a lc o u e c t i o n 4 3 1r e 西s t c rc o n f i g u r a t i o no f c c l l 0 1 4 3 2s p is i l i 】【u l a t e 4 3 3m s p 4 3 0s i g n a la c q u i s i t i o no f p i p e l i n ec a t h o d i cp i 0 t e c t i o np o t e n t i a l 4 4a r i m b a u s e d 锄b e d d e dl i l l m 【s y s t c i i l 4 4 1b o tl o a d e r 4 4 2e m b e d d e dl i n u xs y s t e m 仃a 【1 s p l a n t 4 4 3q t - b a s e d 黟a p h i c a lu s c ri n t e r f i a c e c h a p t e r5s y s t e mf u n c t i o nt e s t 4 7 5 1a c c u r a c yt e s to f d a t ac o l l e c t i o ns y s t e m 4 7 5 2t r a l l s m i s s i o nd i s t a i l c et e s to f d a t ac o l l e c t i o ns y s t e n l 5 0 5 3t f a v e ls p e e dt e s t0 f c 0 l l e c t i o nv e h i c l e 5 2 5 4l o w p o w e rt e s t 觚de s t i m a t i o no ff i e l dc o l l e c t i n gm o d u l e 5 3 5 5s t a b i l i t yt e s to f w i r e l e s sc o l l e c t i o ns y s t e m 5 4 c h a p t e r6s u m m a r y a n do u t l o o k 5 5 6 1s l l m m 哪5 5 6 2o u t l o o k 5 6 r e f b r e n c e 5 7 a p p e n d i x 6 1 a p p e n d i xlp r o 孕锄o f f i e l dc o l l e c t i o ni n s t n l m e n t 6 l a p p e i l d i x2p r o 酉锄o f v e h i c l ei n s t 九瑚e n t 6 2 a p p e n d i x3r e 西s t e rc o n f i g u r a t i o no f c c l l 0 1 6 5 a p p e n d i x4c i r c u i td e s i 朗o f l m 3 5 8m o d u l ea n dm s p 4 3 0 f 2 0 1 2 6 8 a p p e n d i x5p c bd e s i g no f f i e l dc o h e c t i o ni n s t i - u m e n t 6 9 x 5 7 9 9 9 o l 2 2 4 3 3 3 3 3 4 4 4 4 4 x i 7 1 7 3 7 5 北京化工大学硕士学位论文 x i l 第一章绪论 1 1 课题研究的背景和意义 第一章绪论 通常，大多数油气田都分布在辽阔的旷野、草原、荒漠及海洋中，而炼油厂 尤其是油气消费市场却在人口稠密、经济发达的大中城市及周边地区，两者可能 相距数百甚至数千公里；这正应了石油界的那句俗话：“你找到石油的地方，并不 是你要用石油的地方i l 】。”石油的重要性不言而喻，石油不仅关系着一国的安全与 发展大计，其消费量还直接与国家经济发展的速度相关。甚至可以说，石油是世 界上交易量最大的商品。随着世界经济的逐渐复苏，特别是以“金砖五国”为代表的 新兴经济体的强劲增长，在经历了2 0 0 9 年的供需低谷后，世界石油供需全面回升。 表1 12 0 l o 年石油消费状况 t a b l el l2 0 1 0c l l i n ao i lc o n s u m p t i o n 表l - 22 0 1 0 年世界石油消费状况 t a b l el - 22 0 1 0w d r l do i lc o n s u m p t i o n 由国家能源局统计数据表1 1 、1 2 可知，石油消费正处于不断上涨的时期。 如此之多的石油资源，且不算天然气资源，如何将之输送到很远、有的甚至千里 之外的消费地点成为了必须面对的现实。下面就几种主要的运输方式简要介绍。 车运：火车油罐车和汽车油罐车，这是大多数人最常见的运送方式，是油气 资源运输的主要辅助手段。 北京化工大学硕士学位论文 管输：管道运输是陆地及近海运送流体的主要方式；对于油气管道，还需要 配备输油气站、加热站、计量站及储油气罐等。 船运：般在如海洋等这种又深又宽水域相隔的地方，通常采用船运，包括 油轮和油驳。油轮有自航能力，油驳需拖轮牵引。船运必须配有油港、油码头及 装卸设备。中东等地方产油国家石油出口到美国就需船运，波斯湾一好望角一西 欧、美国航线就是世界上最繁忙的石油运输线，年运输量超过4 亿吨。 然而，尽管运输方式优缺点各有不同，但就目前来说，世界上三分之二的油 气依靠管道输送。 管道输送具有建设快、占地少、运量大、成本低、污染小、安全可靠及连续 流动等特点，现代管道已从陆地走进海洋，由一般地区伸入到沙漠腹地和崇山峻 岭，已成为在陆地和浅海中运送石油和天然气等流体物质的最佳工具；因此，凡 是能够建设管道的地方都会尽量采用管道输送，甚至可以说，管道运输架起了油 气资源与人类文明的桥梁；目前许多国家或地区的油气管道都已形成管网系统， 真正成为保障国民经济发展的四通八达的“地下大动脉”【2 l 。 与其他运输方式相比，管道输送流体货物具有明显的优势： ( 1 ) 运输成本低：铁路、车运和船运时，一部分能量要消耗在载体的移动上， 尤其是需要空车船返回而不能连续运输，而管道输送则只需通过输油泵、压缩机 直接推动油气昼夜不停地流动( 运输) ，只有远洋航行的大型油轮的运油成本比管道 低，但却受到地域的限制； ( 2 ) 大运输量、易操作、易管理：一条管径为7 2 0 毫米的管道，一年的原油运 输量就可轻松达到2 0 0 0 万吨；而且，国内外先进的油气管道已实现站、场、库无 人值守和全线自动化管理； ( 3 ) 占地少、投资省、建设快：据统计，车运需长期占有土地约2 1 0 4 m 2 k m ， 而管道施工时临时占地1 x 1 0 4 m 2 h 左右、竣工后9 5 以上的土地会恢复原貌，且 管道的建设投资和施工周期都只有铁路的一半左右； 此外，长输油气管道一般埋于地下，输送的油气流体被封闭在管道内而与外 界隔离，故管道输送对环境污染小、安全可靠，不易受地面交通、气候及其他自 然条件变化的干扰和人为破坏【l j 。 尽管如此，管道运输油气的还是存在着其与生俱来缺点：只能定点输送、输 送和输量的应变能力差、时刻面临腐蚀威胁等。尤其是在埋地管道运输过程中， 由于管道本体金属和焊缝金属成分不同，埋入地下后，两者间就会产生较大的腐 蚀电位差，电位低的部位受到腐蚀。防护层破损到达一定程度时保护能力下降， 导致管道外壁被腐蚀，很容易发生事故【3 】。 2 第一章绪论 1 2 文献综述 1 2 1 埋地管道腐蚀的危害与维护 在日常生活中，金属腐蚀几乎无处不在。一般来说，金属腐蚀是指金属在环 境作用下所引起的破坏或变质，主要是由于外界环境物质与金属发生化学或电化 学作用引起的。无论是在日常生活中或是工农业生产及国防建设中，其已成为普 遍而严重的技术问题1 4 j 。 腐蚀给各国的国民经济所造成的损失是巨大的。据发达国家调查，每年由于 腐蚀造成的损失约占国民经济总产值的2 o ；在腐蚀作用下，世界上每年生产 的钢铁中有1 0 被腐蚀消耗；在我国，常看到地下油气管线投产一两年后就发生 腐蚀穿孔；金属管道发生腐蚀，不仅造成油气资源浪费，给油气工业带来巨大的 经济损失，严重的情况，还可能引起管道油气泄露而引起火灾、爆炸，造成严重 的污染环境、威胁人身安全，后果及其严重【5 6 】。 埋地管道是埋在地下的最大的钢铁构件，最长可达几千公里，其中穿越各种 不同类型的外部腐蚀环境，容易腐蚀埋地油气管道，威胁管道油气资源的正常运 输；而且，管道内输送的油气流体介质也会对管道造成内腐蚀；这就使得油气管 道的防腐蚀成为了石油天然气工业必须予以足够重视的问题川。 埋地管道的腐蚀是受腐蚀环境影响而自发进行的。为了保障埋地油气管道长 期安全运营，必须对其采取防腐蚀措施。为控制埋地管道的电化学腐蚀，世界范 围内所公认的方法是外加防腐蚀涂层并附加阴极保护。 所谓涂层，是指用于物体表面，对被涂物体表面以达到某种作用的材料。防 腐蚀涂层在埋地油气管道表面施加绝缘层，将油气管道与外腐蚀环境隔离，以达 到保护管道免遭腐蚀的目的。对于埋地管道来说，涂层是防腐蚀的第一道防线， 也是埋地油气管道防腐蚀的最基本措施。 此外，要埋地管道免遭腐蚀，还必须对管道采取阴极保护技术，通过对埋地 管道施加阴极电流，提供足够的电子以阻止管道失去电子( 此过程亦称为阴极极 化) ；阴极保护作为防护层防腐的辅助措施，对管道涂层缺陷处的金属提供附加保 护；可以说，阴极保护是埋地管道防腐的第二道防线；对于埋地油气管道的腐蚀 控制来说，防腐蚀涂层和阴极保护两者缺一不可【8 一。 1 2 2 埋地管道发展状况 能源市场需求激增，管道运输发展迅猛。据美国油气杂志最新报道，2 0 0 5 3 北京化工大学硕士学位论文 年，世界共建设管道近2 1 万公里，投资超过1 8 0 亿美元。美国能源信息署预测， 2 0 2 5 年，世界能源消费将增长6 4 ，这将是一个相当长的管道建设期。运营商计 划今后十年建造各种油气管道约1 0 万公里。2 0 0 6 年，全球计划建设管道1 8 5 万 公里，总投资2 7 6 亿美元。2 0 0 6 年之后，全球预计投资1 1 6 0 亿美元，铺设管道8 万多公里( 其中海洋管道2 3 9 0 公里) 。全世界形成了各种不同区域、规模不一的油 气管网，对经济发展具有着重要的作用。 中国是世界上最早使用管道运输流体的国家，大约在公元前2 0 0 多年，就开 始用打通的竹管连接起来的管道运送卤水。但是管道运输的发展却很缓慢甚至在 相当一段时间内处于停滞状态。新中国成立前，长输管道几乎空白，1 9 5 8 年开发 克拉玛依油田后、建成了克拉玛依到独山子原油管道( 全长1 4 7 公里) ，才开了我国 自行设计建造现代长输管道的先河，掀开了我国长输管道建设史上的新篇章【1 0 1 。 自2 0 世纪7 0 年代以来，随着大庆、辽河等油田的开发，我国原油长输管道 的建设进入了一个快速发展的时期。我国的原油管输技术不断发展，经过多年的 技术攻关和技术改造，逐渐缩小了与国外先进国家的差距。 目前我国管道用管等级达x 6 5 、并已掌握生产x 7 0 管道钢卷板技术，降凝剂、 减阻剂、原油热处理、易凝高粘原油添加降凝剂改性输送、加热输送等输送工艺 及技术达到国外同类产品水平，有的甚至具有了世界领先水平；而天然气管道大 多采用s p s 等国际先进软件进行综合管理，s c a d a 系统也得到了广泛应用【i l 】。 尽管如此，我国油气资源的管道运输与国外相比还存在着一定的差距：天然 气管网化程度较低、调度不够灵活；油气管道主要设备的技术水平落后；成品油 管输规模小、输送比例低、品种少；成品油顺序输送技术水平及自动化程度低； 已掌握生产x 7 0 管道钢卷板技术，正在研制x 8 0 管材；管道生产管理水平较低等 【l l 1 2 1 。这就需要进一步进行管道输送工艺及相关技术的研究，提高我国的整个管 道运输事业的水平，为油气管道输送提供强有力的保障。 随着中国几个区域性油气管网经过进一步的完善、管道生产、输送及管理技 术水平进一步的提高，将会对环境保护和人民生活质量的改善产生更多积极的影 响，亦更加有利于国家的可持续发展。 1 2 3 埋地油气管道腐蚀防护 腐蚀，是指材料和环境间相互反应造成的损伤，发生在材料和环境之间的接 触界面。埋地管道的腐蚀就是管道表面存在着不同电位的电极及电极间的电子通 道和离子通道，管道的防腐技术就是把这个腐蚀条件破坏掉。 近年来，埋地管管道防腐问题已经得到了重视，并且国内外在这方面做了大 量的研究，开发了许多的防腐技术。目前工程上有四类防腐蚀技术，分别是选材 4 第一章绪论 材料表面改性、缓蚀剂技术、覆盖层技术和电化学保护技术；总的来说，选材材 料表面改性技术是通过合理的选择建造埋地管道材料、研制更耐腐蚀新材料或改 变材料工作表面性质来达到防腐效果的；而基于缓蚀剂技术则是着眼于与埋地管 道接触的环境、通过向环境加入少量化学物质( 即缓蚀剂) 使腐蚀性显著降低；选材 材料表面改性和缓蚀剂技术这两种防腐技术最终都还是在界面起作用，但覆盖层 防腐技术以及电化学保护技术则是更直接的着眼材料环境界面，是得到很广泛应 用的防腐蚀技术，也是腐蚀科学与现实工程重点研究的内容之一【1 3 1 4 】。 图1 1 防腐技术示意图 f i g 1 - ls c h 锄a t i cd i a g r a mo f 觚t i 伽s i o n 妣l l i l o l o g ) r 管道进行油气输送的过程中面临着内外腐蚀环境的威胁。内腐蚀环境是指管 道内的流体介质及其它的一些污物，能够和管道内壁相互作用而使管道内壁腐蚀； 外腐蚀环境就是指油气管道外的土壤、水以及空气等，和管道涂层接触并发生相 互作用，会造成涂层破坏及失效，并进一步威胁管道安全【1 5 1 。 近年来，随着科技水平的提高，管道相关的检测技术发展迅速，并衍生了很 多检测技术。这些技术通常可分为为管内、管外检测两类。管道外检测，即挖坑 检测埋地管道的腐蚀缺陷；管道内检测技术主要采用管内智能检测器，以达到发 现管道腐蚀、缺陷的目的，也可评估涂层的完好性【1 6 r 7 1 。 + 1 2 3 1 埋地管道内腐蚀检测 管道内发生腐蚀后，通常表现为管道的管壁变薄，出现局部的凹坑和麻点， 一般可以对管道实施清管、加缓蚀剂等措施进行腐蚀控制。内腐蚀检测技术是利 用漏磁通、超声波等无损探伤原理，在不影响油气管道运行的情况下，通过行走 5 北京化工大学硕士学位论文 在管道内的智能检测器来检测管道缺陷【1 6 1 。下面简要介绍几种应用较为广泛的内 腐蚀检测方法： ( 1 ) 漏磁通检测技术( m l ) ：对铁磁性的被测管道施加磁场时，在管道缺陷附 近会有部分磁力线漏出被测管道表面，通过分析磁敏传感器的测量结果， 可得到缺陷的有关信息；漏磁通检测是历史最长，应用范围最为广泛的管 道内检测技术，可以查出由管道腐蚀导致的体积型缺陷( 包括管道内、外) ， 它对检测的相关环境要求较低，能间接地判断油气管道涂层状况； ( 2 ) 电磁声波传感检测技术( e m a t ) ：传感器在管道管壁发出声波能时，波以管 壁内、外表面作为介质进行传播，当管壁是完好无缺时，波的传播只会正 常衰减；当管壁上有缺陷等异常状况时，传播波形会产生明显变化，从而 达到检测缺陷的目的；不需要液体耦合剂是电磁声波传感检测技术最重要 的特征，可对输气管道进行超声波检测，是替代漏磁通检测的有效方法； ( 3 】测径检测技术：通常应用在管道几何变形的情况，能判断出管道具体的变 形位置；可通过磁力感应原理及机械装置来达到检出管道几何变形的异常 现象的目的； “) 超声波检测技术：利用超声波匀速传播且可在金属表面发生部分发射的特 性，进行管道探伤和检测。超声检测可分为主动检测和被动检测两类【1 8 ，1 9 】。 近年来随着管道输送管理技术水平的提高，以及对输送流体要求越来越严格， 内腐蚀得到了很好的控制，因此管道外防腐成了埋地管道腐蚀控制的主要发展方 向，故管道外腐蚀造成的涂层及管道缺陷是目前管道检测的重点【2 们。 1 2 3 2 埋地管道外腐蚀检测 现代埋地管道的外腐蚀保护一般采用外加防腐层与阴极保护共同组成的防护 系统来承担，两者是相互互补的关系；该方法是土壤和水介质环境中油气管线最 有效的管道防腐措施【z 1 1 。 外防腐层是第一道防线，起着防止管道遭受外界腐蚀的作用，阴极保护的工 作效率直接受防腐层保护效果的影响；美国腐蚀工程师协会早在1 9 9 3 年年会就指 出，埋地管道9 9 的保护都是应该由管道涂层提供，阴极保护为管道提供剩下1 的保护；由此可见，涂层保护的重要性不言而喻；因此，绝缘性、耐腐蚀性等外 防护涂层综合性能以及涂层的完整性决定对管道整体维护的效果瞄埘】。涂层性能 受多方面因素影响，必须对其进行有效的监测及维护。 防腐层缺陷检测技术一般都是在管道上加载电流信号，采用专业设备非接触 性地对管道防腐层进行检测，以达到对管道防腐层综合性能进行评估的目的，从 而保障管道油气输送长期高效、稳定、安全运行【2 4 乃l 。 6 第一章绪论 近年来，国内油气管道防腐层检测技术已广泛应用，管道外检测技术已赶上 了发达国家的技术水平，以下就几种应用广泛的管道外检测作简要介绍： ( 1 ) 直流电位梯度( d c v g ) 方法：该方法是目前世界上比较先进的埋地管道外 防腐层缺陷测试技术，在国外已得到广泛应用；电流经过土壤介质流入管 道防腐层破损处裸露的管道处，会在管道防腐层破损处形成电压梯度场， 通过检测以发现防腐层破损点并判断缺陷面积大小及管道腐蚀情况，具有 适用复杂管路、无交流电干扰、检测精度高、操作简单等优点【1 3 】； ( 2 ) p c m 多频管中电流测试：p c m 系统主要分为超大功率发射机、手提式接 收机两部分，前者负责向管供入一个低频率电流信号，后者沿管道进行管 道定位、管中电流强度和方向的测量；信号在管道中流动，从而产生相应 的与供入电流大小成正比的电磁场，由地表磁场分量便可准确测定管道信 号电流大小，通过超低频率( 4 h z ) 信号在管道中衰减和分布特性，评估防 护层的健康状况【1 3 】； ( 3 ) 皮尔逊检测技术( p s ) ：对管道施加发射机交流信号，通过专业设备接收交 流信号并由信号的强弱评价管道防腐涂层的状况，进而找出涂层缺陷；p s 技术不需要c p 电流，且操作简单，测试速度较快，在国内应用较为普遍； 但存在着检测准确率较低、易受地电场干扰、过于依赖经验等缺点； ( 4 ) 标准管地电位检测( p s ) ：常用来监测管道阴极保护的效果以及控制管道外 腐蚀，一般方法是使用万用表测量c p 状态下沿管道布置的测试点处管地 电位，从而对电位的分布情况进行了解，通过对以往及当前电位的比较， 间接了解管道外防腐层的状态，还可通过测得的c p 电位是否满足标准衡 量涂层状况及进一步评价外腐蚀状况； ( 5 ) 密间隔电位检测技术( c i p s ) ：是国外首选措施之一，用来对阴极保护的保 护效果进行评价；通过测定阴极保护在管线上的管地电位沿管道的变化 ( 一般检测点间距为l 5 m ) ，可间接找出缺陷位置、大小，并反映管道防 腐涂层的状况，进一步分析判断阴极保护是否有效【2 6 2 7 1 。 几种测试方法在结构、功能上各有不同，侧重点上也存在着差异，各有利弊； 但几种检测方法均具有定说服力。综合几种检测方法对防腐层缺陷进行检测， 可以弥补各项单一检测技术的不足。c p s 和d c v g 综合检测技术就是近年来才发 展起来的防腐层破损地面检测技术中的一种。c p s 和d c v g 综合检测方法采用与 馈电相结合的方法巧妙地解决了c 礤s 、d c v g 无法在无阴极保护管线上使用的问 题，并使得方法准确性佳、简单、实用、经济。尽管如此，因为一般防腐层检测 技术大都是施加电信号在管道上，并且大都存在着不足，对某些防腐层如未与大 地接触部分露管涂层破损处等缺陷无法查找，所以需进行更进一步研究【2 8 】。 7 北京化工大学硕士学位论文 1 2 4 阴极保护技术概述 在人类的历史长河中，不断地和腐蚀作斗争。在这过程中，创立和发展了腐 蚀这一门科学学科；埋地管道的电化学保护就是在腐蚀科学的不断进步中得到了 发展；作为电化学保护的主要技术，阴极保护技术在人类进行防腐蚀技术的不懈 探索中也得到了较好、较快的发展【2 圳。 1 8 2 4 年英国学者汉戴维先生提出了阴极保护方法，在接受英国海军部队的 木制舰船铜保护套腐蚀的研究中，首次采用锌来对固定木船铜包皮的铁螺钉进行 保护( 即现在的牺牲阳极法) ，创了现代腐蚀科学中阴极保护的先河。但是这种方 法到本世纪3 0 年代才在工业上开始应用；十年后，汉戴维的学生米法拉第， 发现了腐蚀电流与腐蚀量的关系( 即法拉第定律) ，由此为现代的电化学奠定了理 论基础；1 8 9 0 年，咖嬲a l v ae d i s o n 设想对船舶施加电流来进行阴极保护，但由 于缺乏合适阳极材料和电源设备而作罢；r j 科恩于1 9 2 8 年将第一台阴极保护整 流器安装在新奥而良的输气管道上，并提出了一o 8 5 v 的电位保护原则，为现代阴 极保护技术奠定了基础；经历了1 8 0 多年的发展，阴极保护技术正在曰趋完善， 该技术取得了明显的经济效益和社会效益p 叼。 1 9 5 8 年，我国的石油管道首次应用了阴极保护技术，当时仅限于小规模的试 验；6 0 年代，阴极保护技术在我国一些油气管道上陆续得到推广；7 0 年代，阴极 保护技术在我国长输管道己得到广泛应用；目前，国外已经做到阴极保护技术的 法律化、标准化，如n a c e 的埋地及水下金属管道外腐蚀控制推荐作法、德国 的长输管道运输危险液体的规定等【2 2 】。相比之下，国内阴极保护技术发展较 为落后，直到1 9 8 9 年国务院才颁布了国内第一部管道防腐蚀技术法规石油、天 然气管道管理条例，阴极保护首次被列入管理内容；国内各油气管线大多仍采用 人工测试电位的状态，在遥测方面也基本没有什么进步【3 2 l 。 近年来随着科技的发展，促进了电化学测量理论与现代微机、通讯技术、数 字化技术、计算机控制技术等学科的融合，我国阴极保护技术的得到了很好的发 展机遇，为我国油气管道运输的安全、高效运行提供有力保障。 1 2 i4 1 阴极保护原理及方法 埋地油气管道的腐蚀实际上是管道本体金属的成分铁在腐蚀环境中失去电子 的过程，只要有消耗电子的氧存在，腐蚀会伴随着消耗电子的成分( 一般是氧) 的存在而一直进行着。而外部环境中必然客观的存在着氧( 空气富含氧、水可以 溶解氧，而土壤具有透气性、含水性) ，存在着铁原子失去电子的诱因。故对管道 施加阴极( 负极) 电流，使埋地管道处于电子过剩的状态，埋地管道本体中的铁 8 流分散能力好及利用率高、设备简单施工方便